基于微震声发射联合监测的矿震物理模拟试验系统与方法

本发明涉及深部采矿工程领域矿震等自发性的动力现象模型试验，特别涉及复杂条件下深部煤层回采导致高位厚硬覆岩自发性破断并诱发大能量矿震的大型真三维模型试验系统与分析方法。

背景技术：

1、煤炭开采已向深部进军，开采深度的增加导致地质赋存环境更加复杂，工程扰动响应更加剧烈，矿震活动更加强烈，这使得矿震问题正由资源安全开采问题演化为社会公共安全问题。因此，深入揭示煤矿矿震孕育演化机理已成为亟待解决的重大科技问题。现场监测方法条件受限、成本巨大、风险性高，数值模拟方法难以模拟真实灾变过程，理论分析方法难以突破复杂地质环境的影响。而地质力学模型试验在发现新现象、探索新规律、揭示新机理方面相较于前述方法具有独特的优越性，因此有必要开展复杂条件下大能量矿震孕育演化机制模型试验。要开展矿震模型试验，就必须拥有监测震动信号的模型试验系统及试验方法，目前相关研究现状如下：

2、在专利cn116448569a中，公开了一种塌陷型矿震井监测物理模拟装置及方法，其只考虑了声发射监测且将声发射传感器埋设于相似材料模型体内部，此方法不便于声发射传感器的检修和更换、监测岩层震动信号有限，不适用于大型真三维矿震模型试验。

3、《岩石力学与工程学报》2021年第40卷第3期介绍了一种大尺度三维巷道冲击地压灾变演化与失稳模型试验系统，主要由静力加载系统、模型浇注装置、模型运送装置、爆破动载施加系统及数据监测系统等组成，该系统无法模拟矿震等自发性动力现象，无法监测岩层破断产生的震动信号。

4、在专利cn116337628a中，公开了一种三维应力下活动断裂粘滑发震模拟方法和装置，该方法指出在模型四周布设微震传感器监测试验过程中岩体裂隙萌生扩展演化过程以及地震波峰值加速度、振幅、频率中的至少一项的变化规律，但是未给出具体的实施方法。

5、总的来看，目前国内外相关现有模型试验方法普遍存在如下问题：

6、(1)现有模型试验系统无法模拟自发性覆岩破断诱发的大能量矿震现象且无法自动采集模型体内部岩层破断产生的震动信号；

7、(2)现有真三维加载模型试验系统不能灵活适应不同高度煤层的回采模型试验。

技术实现思路

1、本发明为克服上述现有技术的不足，提供了一种能够监测覆岩因煤层回采自发性破断而产生的震动信号、能够实现裂隙扩展及岩层破断可视化观测、能够适应不同模型煤层位置及厚度等工况并能够提供真三维地应力场的基于微震声发射联合监测的矿震物理模拟试验与分析方法。

2、为实现上述目的，本发明公开了如下的技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种基于微震声发射联合监测的矿震物理模拟试验系统，包括组合式可视化反力组合台架装置，所述的组合式可视化反力组合台架装置内壁设置液压千斤顶，其作用于加载板对模型体施加载荷，还包括导波杆，所述的导波杆嵌固端插入至模型体内，露出端延伸至加载板外侧，露出端端头连接全光纤微震传感器，且在露出的导波杆外侧壁平面内还黏贴有声发射传感器；所述的全光纤微震传感器与全光纤微震监测系统相连，所述的声发射传感器与声发射系统相连；在模型体内还设置有应力、应变、位移监测元件，所述的应力、应变、位移监测元件与测试系统相连。

4、作为进一步的技术方案，所述的加载板包括分片式钢制加载板、分块式钢制加载板和整体式钢制加载板。

5、作为进一步的技术方案，所述的整体式钢制加载板位于模型体的底部，所述的分片式钢制加载板位于模型体的左、右、后侧面，所述的分块式钢制加载板位于模型体的顶面。

6、作为进一步的技术方案，所述全光纤微震传感器和声发射传感器在空间中的位置不能共面，布设位置无要求，但要尽可能全方位覆盖研究对象。

7、作为进一步的技术方案，在钢制加载板的内壁设置有隔震减摩板，用于隔绝模型体和钢制加载板中震动波的相互干扰。

8、作为进一步的技术方案，所述的钢制加载板上钻取有圆孔，钢制加载板外表面设置与圆孔同心的可拆卸式限位圆环并由限位螺栓固定，所述的导波杆依次插入限位圆环、加载板圆孔至模型体内部指定深度。

9、作为进一步的技术方案，所述的导波杆为正棱柱体且单个外侧面宽度大于所述声发射传感器的直径，所述正棱柱体导波杆的露出端被加工成与所述的全光纤微震传感器相匹配的螺纹。

10、作为进一步的技术方案，所述的组合式可视化反力组合台架装置的其中一个侧面设置拼接在一起的可视亚克力板和挡煤亚克力板，所述的亚克力板与模型体表面密贴。

11、作为进一步的技术方案，所述的组合式可视化反力装置的前墙，包括通过螺栓连接的分片式中间镂空两端封闭的格构式钢梁、抽拉式反力台架前墙和亚克力板，所述的格构式钢梁用于自由组合以适应不同相似比尺下的煤层回采模型试验；在钢梁内部设置抽拉式反力台架前墙，抽拉式反力台架前墙为所述模型体提供被动约束并且为煤层回采预留出操作空间；在钢梁凹槽内设置亚克力板，用于为所述模型体提供被动约束并实现覆岩破断的可视化观测。

12、第二方面，基于所述的基于微震声发射联合监测的矿震物理模拟试验系统的试验方法，如下：

13、选定坐标原点，建立空间直角坐标系；

14、以所述的空间直角坐标系为参考系，设计全光纤微震传感器和声发射传感器的空间布设方案并确定两种传感器的三维坐标；

15、基于所述全光纤微震传感器和声发射传感器的空间布设方案，在所述的加载板上钻取圆孔，在板外安装与圆孔同心的可拆卸式限位圆环并由限位螺栓固定；

16、采用分层压实风干法制作模型体至所述的圆孔高度时，将正棱柱体导波杆依次插入限位圆环、钢制加载板圆孔至模型体内部指定深度，并填料压实；

17、所述的声发射传感器粘贴在所述正棱柱体导波杆的外侧壁平面内指定位置，所述的全光纤微震传感器与所述正棱柱体导波杆通过螺纹连接；

18、基于所述的敲击定位试验，判断所述微震-声发射定位误差是否满足精度要求；

19、如果满足所述精度要求，则继续开展矿震模型试验，并实时监测采集微震、声发射事件，否则需要对全光纤微震监测系统和声发射系统及相应的传感器进行检修并重新开展敲击定位试验，直至定位精度达到要求。

20、本发明具有如下显著的技术优势：

21、(1)本发明通过设置导波杆可以真实模拟在煤层回采作用下高位厚硬覆岩自发性破断诱发的大能量矿震事件的孕育演化过程，同时，全光纤微震监测系统和声发射系统可以最大限度的捕捉覆岩破断产生的全部震动信号，且定位结果可以相互印证以确保试验结果真实可靠。此外，由于传感器安装在模型体外部，使得两种传感器的安装、拆卸和测试维修十分便利。

22、(2)本发明的组合式可视化反力装置的前墙，包括通过螺栓连接的分片式中间镂空两端封闭的格构式钢梁，可以用于自由组合以适应不同相似比尺下的煤层回采模型试验；钢梁内部设置抽拉式反力台架前墙，抽拉式反力台架前墙为所述模型体提供被动约束并且为煤层回采预留出操作空间，通过调整抽拉式反力台架前墙的位置，可以模拟不同高度位置的煤层回采；在钢梁凹槽内设置亚克力板，在保障模型体的水平位移约束的同时也可以直接观测模型裂隙扩展和岩层破断情况。

23、(3)本发明在水电、交通、能源、矿山和国防等深部岩土工程中岩爆、冲击地压、煤与瓦斯突出等自发性动力型灾变物理模拟与孕灾机理研究方面也有广阔的推广应用价值。